JP4073014B2 - 造形装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、3次元の造形を行う造形装置に関し、いわゆる、高速プロトタイピングの分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
製品の開発に際して、従来より、様々な手法により短期間に部品や完成品の3次元モデルの製作(以下、「3次元造形」とも呼ぶ。)が行われ、3次元モデルにより製品の外観や取り扱いについて検討が行われる。
【0003】
3次元造形としては、例えば、容器(以下、「樹脂槽」という。)内の光硬化性樹脂の表面にレーザ光を走査およびON/OFFさせながら照射し、硬化した部分を樹脂槽内へと沈降させつつレーザ光の走査を繰り返す手法(いわゆる、光造形法)、対象物の多数の断面に相当するシートを準備し、シートを積層して造形を行う手法等がよく知られている。また、特許文献1のように、インクを高速に噴射して印刷を行う手法を応用して光硬化性樹脂の液滴を複数のノズルから噴射する手法(以下、「インクジェット法」という。)も提案されている。
【0004】
光造形法では、樹脂槽が必要な上にレーザ光を走査する光学系が複雑となるため、装置が大型かつ高価なものとなる。また、走査に時間を要するという問題も有している。そこで、特許文献2に開示されるように複数のLED(発光ダイオード)を光硬化性樹脂の表面に近接させて走査する手法も提案されている。
【0005】
また、光造形法では造形後に造形物に付着している不要物を取り除く手間がかかることから、さらに他の手法として、特許文献3には、3次元空間にて自在に移動可能な1つのノズルを配置し、ノズルを移動させながら自然硬化ワックスや熱可塑性プラスチック樹脂等を吐出することにより造形を行う手法が開示されている。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−67171号公報
【特許文献2】
特開平11−254543号公報
【特許文献3】
米国特許第5,121,329号要約
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光造形法では既述のように光硬化性樹脂を樹脂槽に貯留し、さらに硬化された樹脂を樹脂槽内へと沈降させる必要があり、装置構成および取り扱いが複雑になるという問題を有している。シートを積層する手法は造形物の後処理が不要であるが、シートの積層という高度な技術が要求される。インクジェット法は微小物体の造形には向いているが、ある程度の大きさを有する物体の造形には不向きである。
【0008】
以上のことから、ある程度の大きさを有する造形物を製作するにはノズルから樹脂を吐出する手法が好ましいといえる。しかしながら、ノズルからの樹脂の吐出は緩やかであるため、高速な造形を容易に行うことはできない。さらに、自然硬化性ワックスや熱可塑性樹脂等を吐出する場合には、樹脂の硬化に時間を要するため、樹脂の積層を繰り返すと造形物が変形してしまい、形状精度を高めることが困難となる。
【0009】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、造形材料を吐出して3次元造形を行う技術において、造形速度および形状精度を向上することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、造形材料を硬化させて3次元の造形を行う造形装置であって、2次元に配列された複数の吐出口から光硬化性の造形材料を吐出する吐出部と、前記複数の吐出口からの造形材料の吐出を個別に制御する制御部と、前記複数の吐出口から吐出された造形材料に向けて光を出射する光出射部と、前記吐出部から吐出された造形材料が蓄積されるステージと、前記ステージと前記吐出部との間の距離を変更する距離変更機構とを備え、前記光出射部が、前記複数の吐出口が配列される領域に2次元に配列された複数の光出射要素を有する。
【0012】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の造形装置であって、前記複数の光出射要素が複数の光出射要素群にグループ分けされており、前記制御部が、前記複数の光出射要素群からの光の出射を光出射要素群毎に個別に制御する。
【0013】
請求項3に記載の発明は、造形材料を硬化させて3次元の造形を行う造形装置であって、2次元に広がる吐出領域に形成された複数の吐出口から光硬化性の造形材料を吐出する吐出部と、前記吐出領域に2次元に配列された複数の光出射要素を有し、前記複数の吐出口から吐出された造形材料に向けて光を出射する光出射部と、前記複数の光出射要素からの光の出射を個別に制御する制御部と、前記吐出部から吐出された造形材料が蓄積されるステージと、前記ステージと前記吐出部との間の距離を変更する距離変更機構とを備える。
【0014】
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の造形装置であって、前記複数の吐出口が前記吐出領域に2次元に配列されている。
【0015】
請求項5に記載の発明は、請求項3または4に記載の造形装置であって、前記複数の吐出口が複数の吐出口群にグループ分けされており、前記制御部が、前記複数の吐出口群からの造形材料の吐出を吐出口群毎に個別に制御する。
【0016】
請求項6に記載の発明は、請求項1および2並びに請求項4および5のいずれかに記載の造形装置であって、所定方向に関して吐出口と光出射要素とが交互に配列される。
【0017】
請求項7に記載の発明は、請求項1および2並びに請求項4および5のいずれかに記載の造形装置であって、吐出口および光出射要素のうちの一方が他方の周囲を囲む。
【0018】
請求項8に記載の発明は、請求項6または7に記載の造形装置であって、前記複数の吐出口と前記ステージとの間の距離が、前記複数の光出射要素の先端と前記ステージとの間の距離よりも短い。
【0021】
請求項9に記載の発明は、造形材料を硬化させて3次元の造形を行う造形装置であって、ライン状の吐出領域から光硬化性の造形材料を吐出する吐出部と、前記吐出領域に沿って配列された複数の光出射要素から吐出後の造形材料に向けて光を出射する光出射部と、前記複数の光出射要素からの光の出射を個別に制御する制御部と、前記吐出部から吐出された造形材料が積層されるステージと、前記ステージに沿って前記吐出部および前記光出射部を前記複数の光出射要素の配列方向に垂直な方向に相対的に走査する走査機構と、前記ステージと前記吐出部との間の距離を変更する距離変更機構とを備える。
【0022】
請求項10に記載の発明は、請求項9に記載の造形装置であって、前記複数の光出射要素が、前記ステージに対する前記吐出部の相対的移動方向に関して前記吐出領域の後側に位置する。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る3次元の造形を行う造形装置1の構成を示す正面図である。造形装置1は、造形物が形成されるステージ11、ステージ11を昇降する昇降機構12、ステージ11の上方に配置された造形機構13、造形機構13にペースト状の造形材料を送り出すポンプ14、造形材料を貯留するタンク15、造形機構13に造形材料を硬化させるための光(本実施の形態では紫外線)を供給する光源ユニット16、および、各種構成を制御するコントローラ17を備える。
【0024】
造形材料は、光(紫外線)硬化性樹脂を主成分として有し、流動性や付着性を調整するための溶剤やその他の添加剤を含んでいる。なお、光硬化性の造形材料として、主成分である低軟化点ガラスフリットに光硬化性樹脂を混合したものを利用することにより、後処理として焼成を行って硬い造形物を製作することも可能である。
【0025】
昇降機構12はモータ121を駆動することによりステージ11を昇降移動する。造形中はステージ11は下方へと連続的に移動する。造形機構13は最下部が多数の吐出ノズルが2次元に配列された造形ヘッド21となっている。
【0026】
図2は造形ヘッド21の一部を示す底面図である。造形ヘッド21には吐出口311を有するノズル31と光を出射する光ファイバ32とが交互に格子状に2次元に配列される。したがって、各ノズル31は光ファイバ32におよそ囲まれ、かつ、各光ファイバ32はノズル31におよそ囲まれる状態とされる。換言すれば、造形ヘッド21は2次元に配列された複数の吐出口311から造形材料を吐出する複数のノズルの集合310(吐出部)と、複数の吐出口311が配列される領域に2次元に配列されて吐出後の造形材料に向けて光を出射する複数の光出射要素の集合320(光出射部)とが組み合わされた構造となっている。
【0027】
図1に示すように、造形ヘッド21の上方にはノズル31からの造形材料の吐出を個別に制御するバルブ群22が配置され、各バルブはチューブを介して1つのノズル31に接続される。なお、バルブを高密度に配置するためにバルブ群22は上下に多段に設けられてもよい。バルブ群22はマニホールド23に取り付けられ、マニホールド23にはポンプ14が接続される。これにより、ポンプ14の作用により、開いているバルブに対応する各ノズル31から造形材料が同様の速度にて吐出される。
【0028】
一方、造形ヘッド21の各光ファイバ32は、バルブ群22やマニホールド23に設けられた隙間や脇を通り抜けて上方の光源ユニット16に接続される。光源ユニット16は、個別に点灯制御可能な複数の光源161、光源161からの光を一様な強度分布の光へと変換する光学系162、および、光ファイバ32の端面へと光(紫外線)を入射させるミラー163を有する。
【0029】
図3ないし図5は、ステージ11上に造形物が形成される途上の様子を示す拡大図である。光ファイバ32の先端はノズル31の吐出口311よりも奥まった位置に位置し、吐出口311とステージ11との間の距離が、光ファイバ32の先端とステージ11との間の距離よりも短くなっている。これにより、造形材料が光ファイバ32に付着することが防止される。なお、造形が行われる前には造形物の形状を上下に多数並ぶ水平面で切断した断面形状のデータ(以下、「断面データ」という。)が別途設けられたコンピュータにより準備される。
【0030】
図3はステージ11上に造形物の1段目部位(最も下の断面形状に対応する部位であり、以下、1つの断面形状に対応する部位を「層」と呼ぶ。)が形成される様子を示す図である。図3に示す動作が行われる際には、コントローラ17は、最下層の断面データに従って最下層の断面に含まれるノズル31からのみ造形材料91を吐出するようにバルブ群22を制御する。また、吐出に同期してステージ11を下降する。なお、1つの層の厚さは、例えば、約0.5mmとされる。
【0031】
ステージ11の下降速度は、1つのノズル31当たりのステージ11上の面積(ノズル群が占める面積をノズル数で割った面積)と下降速度とを掛けた値が、1つのノズル31から単位時間当たりに吐出される造形材料の体積と等しくなるように制御される。これにより、図3に示すように、吐出された造形材料91が1つのノズル31に対応する領域に十分に付与される。その結果、互いに隣接する複数のノズル31から造形材料91が吐出されると、隙間が生じることなく造形材料91が上方に向かって蓄積される。
【0032】
一方、造形材料91の吐出と並行して光ファイバ32から光の出射が行われ、造形材料91の硬化が漸次行われる。光の出力は、造形材料91が吐出直後に半硬化状態となって1つのノズル31に対応する領域に広がった時点で速やかに硬化するように調整される。これにより、造形材料91はステージ11上にて水平方向へと不必要に広がる(だれる)ことが防止され、図3に示すようにステージ11に対して上方へと造形材料91が適正な幅で蓄積されていく。
【0033】
図4は、造形物の下から2段目の断面形状に対応する部位が形成される様子を示す図である。図4では最も左側のノズル31からの吐出が停止され、他のノズル31からは最下層の造形材料91上に2段目の層が物理的に連続して形成される。各光ファイバ32からは光が出射され続ける。なお、造形材料91の蓄積により上層が下層に対して物理的に連続して形成されることは、実質的に層が積層されることと等価であるため、以下の説明では、適宜「積層」という表現を用いる。図5は、造形物の下から3段目の断面形状に対応する層が形成される様子を示す図である。図5では左側の2つのノズル31からの吐出が停止され、他のノズル31からは2段目の層上に3段目の層が物理的に連続して積層される。各光ファイバ32からは光が出射され続けられ、造形材料91の硬化が行われる。
【0034】
以上のように、造形装置1では造形物の形状に合わせて各ノズル31からの吐出のON/OFFが制御される。これにより、2次元に配列されたノズル31を用いて迅速に造形を行うことが実現される。また、吐出された造形材料91は光により速やかに硬化されるため、造形物の形状精度の低下が抑えられる。さらに、造形物の外部の領域には不要な材料が存在しないため、造形後の処理(例えば、研磨等の表面処理)に際して煩雑な手続きが不要になるとともに材料を効率よく造形に利用することができる。
【0035】
なお、光造形法と比較した場合、樹脂を貯留する樹脂槽が不要であり、かつ、光を走査する必要もないため、装置の小型化が実現される。また、未硬化の樹脂を再利用する手続きも不要となり、造形作業の簡素化が図られる。
【0036】
図6はコントローラ17の内部構成、コントローラ17に接続される構成および断面データを生成するコンピュータ8を示すブロック図である。コンピュータ8には予めCAD等を用いて造形物の3次元の形状データ811がメモリ81に準備され、既述のように造形物を多数積層された水平面で切断して得られる多数の断面形状を示す断面データ812が形状データ811から生成され、メモリ81に準備される。そして、造形物の最も下の部位(最下層)に対応する断面データがコントローラ17へと送信され、以後、1つ上側の部位(上層)に対応する断面データが順番にコントローラ17へと送信される。
【0037】
コントローラ17は、バルブ群22を制御する吐出制御部171、光ファイバ32からの光の出射を制御する光照射制御部172、および、ステージ11の下降を制御するステージ駆動部173を有し、それぞれバルブ群22、光源ユニット16および昇降機構12に電気的に接続される。各制御部171、172、173は、断面データを処理する演算回路や各種構成への制御信号を生成するインターフェイス等により構成される。図3ないし図5に例示した動作は、ステージ駆動部173によるステージの下降に同期しつつ吐出制御部171が断面データに従って各バルブの開閉を制御することにより実現される。
【0038】
ここで、造形装置1では光源ユニット16も断面データに応じて制御されるようになっている。具体的には、図1に示す光源ユニット16の複数の光源161のON/OFFが制御される。図7は光源161の制御の具体例を説明するための図であり、造形ヘッド21の底面を抽象的に示している。図7において、上下左右に3つずつ配列された9つの領域210は、1つの光源161のON/OFFが制御されることにより光の出射が制御される光ファイバ群の範囲を示している。一方、太い実線にて囲まれる領域910は、断面データに従って吐出が行われるノズル群の範囲を示している。
【0039】
図7では、左上の領域210および隣接する3つの領域210(合計4つの領域210)のみが領域910と重なる。図7に示す例の場合、造形装置1では領域910と重なる4つの領域210に対応する光源161のみが点灯され、他の5つの領域210に対応する光源161は消灯される。以上のように光照射制御部172が断面データに従って光ファイバ群からの光の出射を個別に制御することにより、造形装置1では不要な光源161の点灯を省略して消費電力の削減および光源ユニット16における光源161の取り替え頻度の低減を実現している。
【0040】
図8は第2の実施の形態に係る造形装置1を示す正面図である。第2の実施の形態に係る造形装置1は、第1の実施の形態と比べて、造形ヘッド21の構造が異なり、バルブ群22が省略され、光源ユニット16の構造も相違する。他の構成は第1の実施の形態と同様であり、同符号を付している。
【0041】
図9は造形ヘッド21の一部を示す底面図である。造形ヘッド21では造形要素33が2次元に配列されている。図10は1つの造形要素33の底面を拡大して示す図である。造形要素33は中央に造形材料を吐出口331aから吐出するノズル331を有し、ノズル331の周囲を囲むように複数の光ファイバ332が配置される。光ファイバ332のさらに外側は樹脂カバー333にて被覆されている。具体的な一例としては、ノズル331は外径が320μm、内径が140μmとされ、光ファイバ332の直径は70μm、樹脂カバーは厚さは90μmとされる。この場合、全体の外径は640μmとなる。
【0042】
造形要素33が配列されることにより、第2の実施の形態においても第1の実施の形態と同様に、造形ヘッド21は2次元に配列された複数の吐出口331aから造形材料を吐出する複数のノズルの集合(吐出部)と、複数の吐出口331aが配列される領域に2次元に配列されて吐出された造形材料に向けて光を出射する複数の光出射要素の集合(光出射部)とが組み合わされた構造となっている。また、光ファイバ32がノズル31を囲むことにより、吐出と光照射とが1対1に正確に対応づけられる。
【0043】
図11は1つの造形要素33の縦断面を示す図であり、造形材料91が吐出される様子も示している。造形要素33では、ノズル331の吐出口331aに対して光ファイバ332の端面(光出射面)が奥側に位置し(すなわち、吐出口331aとステージ11との間の距離が光ファイバ32の先端とステージ11との間の距離よりも短い。)、樹脂カバー333の端部は光出射面よりもステージ11側に突出している。ノズル331から吐出されて広がる造形材料91の(水平面による)断面積は、第1の実施の形態と同様に吐出速度とステージ11の下降速度がコントローラ17により制御されることにより、およそ造形要素33に対応する面積となるように調整される。なお、光ファイバ332の光出射面が奥に位置することから、ノズル331から吐出された造形材料91が光出射面に付着してしまうことが防止される。
【0044】
また、光出射面よりも下方においてノズル331の外周面341および樹脂カバー333の内周面342はメッキ等により鏡面とされている。したがって、図11中に矢印にて示すように(右側の光ファイバ332に対してのみ図示)光ファイバ332から出射された光は外周面341および内周面342により反射されて造形材料91の外周から内部に向かって効率よく入射する。その結果、造形材料91の形状の変形を抑えつつ上方に向かって造形材料91を適切な断面形状にて蓄積することが実現される。
【0045】
1つの造形要素33に含まれる複数の光ファイバ332は、1つの光ファイバ32に束ねられて(すなわち、結合されて)図8に示すマニホールド23内の隙間や脇を経由して光源ユニット16へと導かれる。
【0046】
図8に示すように、光源ユニット16には1つの光源161が設けられ、光源161からの光は光学系162により光束断面において一様な強度を有する光束へと変換される。光源ユニット16では、第1の実施の形態におけるミラー163に代えて、回動可能な微小なミラーを2次元に配列して有する空間光変調デバイス163aが設けられる。これにより、光源ユニット16側の一群の光ファイバ32の端面に空間光変調された光が入射することとなる。1つの光ファイバ32の端面は1つの微小ミラーに対応するように配置され、空間光変調デバイス163aを制御することにより各造形要素33からの光の出射のON/OFFが個別に制御することが可能とされる。すなわち、1つの造形要素33に含まれる複数の光ファイバ332は制御単位となる1つの光出射要素となっている。
【0047】
一方、既述のように第2の実施の形態に係る造形装置1は吐出を制御するバルブ群を有しないため、各造形要素33からは一様に造形材料91が吐出される。以上のように、造形装置1では、造形材料91の吐出の制御に代えて光の出射を制御することにより、造形物の形成を実現するようになっている。
【0048】
図12ないし図14は、第2の実施の形態に係る造形装置1にて造形物が製作される様子を例示する図である。以下の説明では、第1の実施の形態と同様に、造形物の1つの断面形状に対応する部位を「層」と呼ぶ。なお、図12ないし図14では硬化した造形材料91に平行斜線を付している。
【0049】
図12は造形物の最下層が形成される様子を示しており、図13は下から2番目の層、図14は下から3番目の層が形成される様子を示している。図12では全ての造形要素33から造形材料91の吐出および光の出射が行われ、全ての造形材料91が硬化される。図13では、最も左の造形要素33からは造形材料91の吐出が行われるが光の出射が停止され、未硬化の状態で最下層上に造形材料91が蓄積される。なお、未硬化の造形材料91は大きく変形する(すなわち、だれる)ことがない程度の粘度を有するものとする。
【0050】
図14は下から3番目の層が形成される際に、左側の2つの造形要素33からの光の出射が停止されている様子を示している。以上のように、造形装置1では、吐出される造形材料91の一部を造形物の断面形状に合わせて硬化させることにより、造形材料91の塊の内部に造形物が存在するように造形材料91の蓄積および硬化が行われて造形物が形成される。
【0051】
ステージ11上における造形物の形成が完了すると、造形物はステージ11から外されて別の場所で周囲に付着している未硬化の造形材料91が取り除かれる。これにより、図15に例示するように硬化部分のみが造形物92として取得される。
【0052】
第2の実施の形態に係る造形装置1では、複数の造形要素33から造形材料91が吐出されることから、第1の実施の形態と同様に迅速に造形物を製作することができる。また、吐出された造形材料は光により速やかに硬化されるので、造形物の形状精度の低下も抑制することができる。第2の実施の形態では、第1の実施の形態と異なり吐出の制御は行われないことから、多数のバルブを配置することが不要となる。したがって、装置設計を容易に行うことができる。なお、光造形法と比較した場合、樹脂を貯留する樹脂槽が不要であり、かつ、光を走査する必要もないため、装置の小型化も実現される。
【0053】
ところで、第2の実施の形態において吐出がある程度制御されてもよい。すなわち、造形要素33を複数のグループに分け、グループ毎にバルブを設けて造形材料91の吐出が個別に制御されてもよい。この場合、グループ内の全ての造形要素33からの造形材料91の吐出が不要な場合には、そのグループへの造形材料91の供給が停止される。バルブは第1の実施の形態に準じてマニホールド23と造形要素33の各グループとの間に設けられる。
【0054】
図9中の太い実線にて分けられた造形要素33の16個のグループ330は吐出が制御される単位を示している。例えば、断面データに従って図9中にて平行斜線を付す造形要素33からのみ光の出射が必要な場合、左上側の9つ(=3×3)のグループ330からのみ造形材料91の吐出を行い、他の7つのグループ330からの吐出が停止される。これにより、不必要に造形材料91を消費することが防止され、造形物の製作コストの削減が実現される。なお、吐出も制御される場合はコントローラ17の内部構成は基本的には図6に示すものと同様となる。
【0055】
図16は本発明に関連する技術に係る造形装置1を示す正面図である。造形装置1は、第1の実施の形態と比較して、造形ヘッド21の構造、および、ステージ11上にサブステージ111および走査機構112が設けられる点で相違する。他の構成は第1の実施の形態と同様であり、同符号を付している。
【0056】
図17は造形ヘッド21の一部を示す底面図である。造形ヘッド21では、第1の実施の形態と同様の吐出口311を有する複数のノズル31および複数の光ファイバ32が図16中に示すX方向(左右方向)に平行に配列されている。換言すれば、造形ヘッド21はライン状に配列された複数の吐出口311から造形材料を吐出する複数のノズルの集合310(吐出部)と、複数の吐出口311に沿ってライン状に配列されて吐出後の造形材料に向けて光を出射する複数の光出射要素の集合320(光出射部)とが組み合わされた構造となっている。
【0057】
サブステージ111は、ボールネジおよびモータを有する走査機構112によりガイドレールに沿っ図16中のY方向(紙面に垂直な方向)に移動可能とされる。これにより、造形ヘッド21が複数の吐出口311の配列方向に垂直な方向にサブステージ111に沿って相対的に走査される。
【0058】
図18ないし図21は図16に示す造形装置1により造形物がサブステージ111上に形成される様子を示す図である。造形に際してサブステージ111は移動機構により(−Y)方向に移動する。これにより、造形ヘッド21は相対的にサブステージ111上を(+Y)方向に移動する。図18ないし図20は、造形物の最下部の断面形状に対応する最下層が形成される様子を示しており、造形ヘッド21が相対的に(+Y)方向に移動するに従って造形材料91が(+Y)方向へとサブステージ111上に順次付与される。このとき、光ファイバ32は造形ヘッド21の相対的移動方向に関してノズル31の後側に位置するため、吐出直後の造形材料91に光が効率よく照射されて造形材料91が順次硬化される。図18ないし図20では硬化した造形材料91に平行斜線を付している。
【0059】
各ノズル31からの吐出は、第1の実施の形態と同様に、バルブ群22(図16参照)により個別に制御可能とされており、造形物の断面形状に対応する領域内に各ノズル31が位置する間のみ造形材料91の吐出が行われる。ノズル31からの吐出を選択的に行うことにより、1つの断面形状に対応する領域内のみに層が形成される。造形ヘッド21の相対的な(+Y)方向への1回の走査が終了すると、1つの層の形成が完了する。
【0060】
続いて、昇降機構12がステージ11を1層分だけ下降するとともにサブステージ111が初期位置に復帰し、再度、造形ヘッド21の相対的な走査が行われる。このとき、各ノズル31からの吐出が選択的に行われ、図21に示すように下から2番目の層が対応する断面形状に合わせて最下層上に形成される。ステージ11を間欠的に下降させつつ造形ヘッド21の相対的な走査および選択的な吐出が繰り返されることにより、下側から順次層が積層され、最終的には、図22に例示するように造形物92がサブステージ111上に形成される。
【0061】
なお、図16に示すように光源ユニット16が複数の光源161を有する場合には、第1の実施の形態と同様に光ファイバ32がグループ分けされ、光源161の点灯を制御することにより、光ファイバ群毎に点灯が制御されてもよい。
【0062】
以上のように図16に示す造形装置1では、ライン状に配列された複数の吐出口311から造形材料91を吐出しつつ造形を行うため、第1の実施の形態と比べて造形機構13の構造を大幅に簡素化することが実現される。また、複数の吐出口311から吐出を行うことにより、1つのノズルを用いて吐出を行う場合に比べて造形速度を向上することができる。さらに、吐出直後に造形材料91が硬化するため、造形物の形状精度も損なわれることが防止される。
【0063】
なお、光造形法と比較した場合、樹脂を貯留する樹脂槽が不要であることから装置の小型化が実現され、未硬化の樹脂を再利用する手続きも不要となる。
【0064】
図23は、第3の実施の形態に係る造形装置1を示す正面図である。造形装置1は、図16に示す造形装置とほぼ同様であるが、造形ヘッド21の構造が異なり、バルブ群22が省略され、光源ユニット16には第2の実施の形態と同様に1つの光源161および空間光変調デバイス163aが設けられるという点で相違している。他の構成は図16と同様であり、同符号を付している。
【0065】
図24は、第3の実施の形態における造形ヘッド21の一部を示す底面図である。造形ヘッド21では、造形材料91を吐出する吐出口312がスリット状とされ、吐出口312と平行に複数の光ファイバ32が配列される。換言すれば、造形ヘッド21はライン状の吐出領域から造形材料を吐出するノズル(吐出部)と、吐出領域に沿ってライン状に配列されて吐出後の造形材料に向けて光を出射する複数の光出射要素の集合320(光出射部)とが組み合わされた構造となっている。
【0066】
各光ファイバ32は図23に示すように上方の光源ユニット16に接続され、第2の実施の形態と同様に、空間光変調デバイス163aにより各光ファイバ32への光の導入が個別に制御される。一方、スリット状の吐出口312から造形材料91が一様に吐出される。また、図16に示す造形装置と同様に、走査機構112により造形ヘッド21がサブステージ111に沿って光ファイバ32の配列方向に垂直な方向に相対的に走査され、光ファイバ32はサブステージ111に対する相対的な移動方向に関して吐出口312の後側に位置し、光が効率よく造形材料に照射される。
【0067】
造形に際しては、図16に示す造形装置と同様に、サブステージ111を移動することにより造形ヘッド21を(+Y)方向に相対的に走査し、1回の走査が終了すると、ステージ11(およびサブステージ111)が1層分だけ下降する。第3の実施の形態では、造形ヘッド21の走査に同期して各光ファイバ32からの光の出射が制御される。これにより、吐出口312から略シート状にサブステージ111上に吐出された造形材料91に対して、造形物の断面形状に対応する領域のみに光が照射される。
【0068】
図25は、以上の動作にて造形物の製作が行われる様子を示す図である。図25において造形材料91中に平行斜線を付す部分のみが硬化している。なお、図25では最も(+X)側の光ファイバ32のみを図示しているが、他の光ファイバ32においても選択的な光の出射が行われる。造形装置1における造形が完了すると、第2の実施の形態と同様に不要な造形材料91の除去が行われ、最終的な造形物が取得される。
【0069】
以上のように、第3の実施の形態に係る造形装置1では、スリット状の吐出口312から造形材料91を吐出しつつ吐出口312を走査することにより造形材料91を積層し、このとき複数の光ファイバ32から選択的に光を出射して造形物の製作が行われるため、精度のよい造形物を迅速に製作することが実現される。なお、光造形法と比較した場合、樹脂を貯留する樹脂槽が不要であることから装置の小型化が実現される。
【0070】
図26は第2の実施の形態に係る造形要素33の他の好ましい例を示す縦断面図であり、図27は底面図である。図26は図27中に示す矢印A−Aの位置での断面に対応している。図26および図27に示す造形要素33では、略U字状の吐出口331bを有するノズル331が被覆に覆われた光ファイバ332の周囲をほぼ囲むように設けられる。すなわち、ノズルと光ファイバとの包含関係が図10に示すものと逆となっている。これにより、吐出と光照射とを正確に1対1に対応付けることができる。図27に示すように光ファイバ332はノズル331に支持されるように設けられる。なお、図26に示すように、光ファイバ332の光出射面は吐出口331bよりも奥に位置する。すなわち、吐出口331bとステージ11との間の距離が光ファイバ332の先端とステージ11との間の距離よりも短い。
【0071】
造形要素33から造形材料91が吐出される際には、ステージ11の下降速度が制御され、造形材料91が下降するに従って断面形状が略U字状から徐々に略円形へと変化する。このとき、断面形状が略U字状の段階で中央の光ファイバ332から造形材料91へと光が出射され、断面形状が略円形になる段階で硬化が完了するように吐出速度およびステージ11の下降速度が制御される。吐出口331bを略U字状とすることにより、造形材料91内に空気が滞留してしまうことが防止される。このように、ノズルと光ファイバとが一体的な造形要素として造形装置1に設けられる場合には、光ファイバを造形要素の中央に位置させることも可能である。
【0072】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。
【0073】
光硬化性を有する造形材料は可視光等の紫外線以外の光により硬化する樹脂であってもよい。
【0074】
造形材料がある程度の粘度を有する場合には、ステージ11(または、サブステージ111)は水平である必要はなく、この場合、ステージ11と造形ヘッド21との間の距離を変更する昇降機構12の姿勢が図1等に示す状態から変更される。また、ステージ11が固定され、造形ヘッド21がステージ11に対して垂直な方向やステージ11に沿って移動してもよい。
【0075】
また、光の出射は光ファイバ等の導光部材からの出射には限定されず、発光素子から直接光が造形材料に照射されてもよい。
【0076】
第1の実施の形態では、光は吐出口311が配列される領域から出射されるのであるならば、他の手法により出射されてもよい。例えば、ノズル31が取り付けられるベース部材から光が出射されてもよい。
【0077】
第2の実施の形態では吐出範囲を制御する必要はない(あるいは、緻密に制御する必要はない)ことから、吐出口331aを2次元に配列する代わりにスリット状の複数の吐出口が(吐出口が伸びる方向に対して垂直な方向に)配列されてもよい。すなわち、第2の実施の形態では、造形ヘッド21の下面において2次元に広がる吐出領域に形成された複数の吐出口から吐出が行われるのであれば他の構造が採用されてもよく、これにより、迅速な造形が実現される。
【0078】
また、第2の実施の形態や第3の実施の形態において各光ファイバ32からの光の出射は回動可能な微小ミラー群を有するデバイスには限定されず、回折格子型の空間光変調デバイスや液晶等が用いられてもよい。さらには、微小な光源を配列することにより、空間光変調が行われてもよい。
【0079】
第1の実施の形態における造形ヘッド21は第2の実施の形態にて用いることも可能であり、第2の実施の形態における造形ヘッド21(造形要素33)を第1の実施の形態にて利用することも可能である。また、第1の実施の形態においてノズル31と光ファイバ32とがライン状に交互に配置されてもよい。すなわち、造形ヘッド21の下面に少なくとも所定方向に関してノズル31と光ファイバ32とが交互に配置されることにより、吐出および硬化を2次元的に適切に行うことができる。
【0080】
第3の実施の形態において複数のノズルがライン状に配列されてもよい。なお、第3の実施の形態にて複数のノズルを配列する場合、これらのノズルをグループ化してノズル群毎に吐出が制御されてもよい。また、図10や図27に示す造形要素33が第3の実施の形態にて用いられてもよく、この場合であってもライン状の複数の吐出口におよそ沿う様に光出射領域か形成されることとなる。さらに、第3の実施の形態においてライン状の吐出口312とライン状の光ファイバ32の集合体とが個別に移動してもよい。
【0081】
なお、1つのノズルから吐出される造形材料は、隣接するノズルから吐出される造形材料の側方にも付着して硬化することから、吐出に際して必ずしも下側に硬化した層が存在する必要はない。すなわち、上記いずれの実施の形態に係る造形装置1においても、多少のオーバーハングを有する形状を造形することができる。
【0082】
【発明の効果】
本発明によれば、造形材料の吐出により造形を行いつつ迅速に造形物を形成することができ、また、造形物の形状精度の低下も抑えることができる。
【0083】
また、請求項1、2および5の発明では、造形材料を効率よく造形に利用することができる。
【0084】
また、請求項2の発明では消費電力の低減を図ることができる。
【0085】
また、請求項7および10の発明では、光を効率よく造形材料に照射することができ、請求項8の発明では、光出射要素に造形材料が付着してしまうことを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施の形態に係る造形装置の構成を示す正面図である。
【図2】 造形ヘッドの一部を示す底面図である。
【図3】 造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図4】 造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図5】 造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図6】 コントローラの内部構成およびその周辺構成を示すブロック図である。
【図7】 造形ヘッドの底面を抽象的に示す図である。
【図8】 第2の実施の形態に係る造形装置の構成を示す正面図である。
【図9】 造形ヘッドの一部を示す底面図である。
【図10】 造形要素の底面を拡大して示す図である。
【図11】 造形要素の縦断面図である。
【図12】 造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図13】 造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図14】 造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図15】 造形物を例示する図である。
【図16】 関連する技術に係る造形装置の構成を示す正面図である。
【図17】 造形ヘッドの一部を示す底面図である。
【図18】 造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図19】 造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図20】 造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図21】 造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図22】 造形物を例示する図である。
【図23】 第3の実施の形態に係る造形装置の構成を示す正面図である。
【図24】 造形ヘッドの一部を示す底面図である。
【図25】 造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図26】 造形要素の他の好ましい例を示す縦断面図である。
【図27】 造形要素の底面図である。
Claims (10)
- 造形材料を硬化させて3次元の造形を行う造形装置であって、
2次元に配列された複数の吐出口から光硬化性の造形材料を吐出する吐出部と、
前記複数の吐出口からの造形材料の吐出を個別に制御する制御部と、
前記複数の吐出口から吐出された造形材料に向けて光を出射する光出射部と、
前記吐出部から吐出された造形材料が蓄積されるステージと、
前記ステージと前記吐出部との間の距離を変更する距離変更機構と、
を備え、
前記光出射部が、前記複数の吐出口が配列される領域に2次元に配列された複数の光出射要素を有することを特徴とする造形装置。 - 請求項1に記載の造形装置であって、
前記複数の光出射要素が複数の光出射要素群にグループ分けされており、
前記制御部が、前記複数の光出射要素群からの光の出射を光出射要素群毎に個別に制御することを特徴とする造形装置。 - 造形材料を硬化させて3次元の造形を行う造形装置であって、
2次元に広がる吐出領域に形成された複数の吐出口から光硬化性の造形材料を吐出する吐出部と、
前記吐出領域に2次元に配列された複数の光出射要素を有し、前記複数の吐出口から吐出された造形材料に向けて光を出射する光出射部と、
前記複数の光出射要素からの光の出射を個別に制御する制御部と、
前記吐出部から吐出された造形材料が蓄積されるステージと、
前記ステージと前記吐出部との間の距離を変更する距離変更機構と、
を備えることを特徴とする造形装置。 - 請求項3に記載の造形装置であって、
前記複数の吐出口が前記吐出領域に2次元に配列されていることを特徴とする造形装置。 - 請求項3または4に記載の造形装置であって、
前記複数の吐出口が複数の吐出口群にグループ分けされており、
前記制御部が、前記複数の吐出口群からの造形材料の吐出を吐出口群毎に個別に制御することを特徴とする造形装置。 - 請求項1および2並びに請求項4および5のいずれかに記載の造形装置であって、
所定方向に関して吐出口と光出射要素とが交互に配列されることを特徴とする造形装置。 - 請求項1および2並びに請求項4および5のいずれかに記載の造形装置であって、
吐出口および光出射要素のうちの一方が他方の周囲を囲むことを特徴とする造形装置。 - 請求項6または7に記載の造形装置であって、
前記複数の吐出口と前記ステージとの間の距離が、前記複数の光出射要素の先端と前記ステージとの間の距離よりも短いことを特徴とする造形装置。 - 造形材料を硬化させて3次元の造形を行う造形装置であって、
ライン状の吐出領域から光硬化性の造形材料を吐出する吐出部と、
前記吐出領域に沿って配列された複数の光出射要素から吐出後の造形材料に向けて光を出射する光出射部と、
前記複数の光出射要素からの光の出射を個別に制御する制御部と、
前記吐出部から吐出された造形材料が積層されるステージと、
前記ステージに沿って前記吐出部および前記光出射部を前記複数の光出射要素の配列方向に垂直な方向に相対的に走査する走査機構と、
前記ステージと前記吐出部との間の距離を変更する距離変更機構と、
を備えることを特徴とする造形装置。 - 請求項9に記載の造形装置であって、
前記複数の光出射要素が、前記ステージに対する前記吐出部の相対的移動方向に関して前記吐出領域の後側に位置することを特徴とする造形装置。
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